ATmega16的远程温差循环控制器设计

1、【Word版本下载可任意编辑】 ATmega16的远程温差循环控制器设计 引 言 太阳能与建筑一体化是城市建筑发展的必然趋势，分体承压太阳能热水器是太阳能发展的基本方向。由于分体式太阳能热水系统的集热部分与储热水箱相互分离，二者由管道连接，需要配套温差循环换热控制装置才能工作。目前，市场上使用的温差循环换热装置基本都是单机工作，这就要求安装在离太阳能热水器就近的位置，操作人员必须爬上楼顶才能完成基本的信息查看和基本功能操作。该设计很好地解决了这个缺点，使用AVR单片机，运用RS 485技术以及NTC热敏传感器技术，研制开发了该远程温差循环控制器。 1 系统构造和工作原理 远程温差循环控制器主要

2、用于测量、显示分体承压太阳能热水器的水箱水温、集热器温度、管道温度及控制温差循环、辅助电加热、管道防冻和参数设置等。控制器主要由主机、从机、水温传感器、防冻传感器等部分组成。主机为ATmega16单片机，通过RS 485与从机通信，显示从机采集的温度数据，并完成基本功能设置，把设置数据传送给从机；从机也是以ATmega16单片机为主控器，完成数据采集和控制执行，其系统总体构造框图如图1所示。 2 系统硬件设计 远程温差循环控制器以ATmega16为，该单片机带有串行接口，可以接485转换芯片，实现RS 485通信；内置8位AD模块，可直接实现8通道模拟信号的AD转换输入；带有512 B的E2P

3、ROM，可以实现数据掉电保护。 2.1 主机电路 主机的主要功能是接收从机采集4路温度数据，并显示在12864的液晶上；主机的另外一个功能是完成基本的设置，然后把设置参数发送给从机。主机主要由RS 485通信、键盘输入、LCD显示等几个模块组成。 2.1.1 RS 485通信 由于RS 485总线通信模式具有构造简单，价格低廉，通信距离和数据传输速率适当等特点，因而已广泛应用于仪器仪表、智能化传感器集散控制、楼宇控制、监控报警等领域。 在该设计中使用接口芯片MAX485，如图2所示。该芯片是Maxim公司的一种RS 485芯片，采用单一+5 V电源工作，额定电流为300A，采用半双工通信方式。

4、MAX485芯片的构造和引脚都非常简单，内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可。RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE端口为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE端口为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的管脚PD2控制这两个引脚即可。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。 2.1.2 RS 485通信的抗干扰问题 RS 485总线存在自适应、自保护功能脆弱等缺点，如不注意

5、一些细节的处理，常出现通信失败，甚至系统瘫痪等故障，因此提高RS 485总线的运行可靠性至关重要。 在该设计中，首先采用光电隔离。图2中，四位一体的光电耦合器TLP521_1使单片机与MAX485之间实现了完全的电隔离，消除了相互干扰，提高了工作的可靠性。如图2所示，单片机接收端RXD接TLP521_1的第13引脚；MAX485的RO接TLP521_1的第3引脚。这样，当RO有信号输入时，TLP521_1的第3引脚，通过光电耦合管使第13引脚有相应的电信号，从而降低了相互干扰。TXD，PD2的构造和RXD相同。其次，在RS 485的输出端即A，B两端参加信号限幅二极管D1D4，其稳压值应保证符

6、合RS 485标准，D1和D3取12 V，D2和D4取7 V，以保证将信号幅度限定在-7+12 V之间，进一步提高抗过压的能力。考虑到线路的特殊情况(如某一节点的RS 485芯片被击穿短路)，为防止总线中其他分机的通信受到影响，在MAX485的信号输出端串联了两个3.3 k的电阻R8和R10，这样本机的硬件故障就不会使整个总线的通信受到影响。在应用系统工程现场施工中，由于通信载体是双绞线，它的特性阻抗为120 左右，所以在线路设计时，在RS 485网络传输线的始端和末端应各接120 的匹配电阻(如图2所示中的R9)，以减少线路上传输信号的反射。通过上述几点，可以有效地降低RS 485通信中的干

7、扰。 2.1.3 输出显示和键盘输入电路 液晶显示用的是OCM中12864的液晶，该液晶显示模块为12864点阵型液晶显示模块，既可显示各种字符及图形，又可以显示4行汉字，刚好符合该设计要求，显示4路温度，并可与CPU直接接口，具有8位标准数据总线、6条控制线及电源线。该设计中，由于单片机接口预留有限，所以LCD与单片机的连接采用串行数据输入方法，数据通过单片机PA7与LCD串行输入端的第4引脚相连；PA4、PA5为片选信号，分别接LCD的第15、第16引脚；PA6作为读写使能信号，与LCD的第6引脚相连，它不仅接口简单，而且节约了单片机的I0口资源。键盘输入接口使用到8个按键，采用行列式24

8、键盘实现。 2.2 从机电路 从机的主要功能是完成4路温度数据采集，并将这些数据传送给主机；然后接收主机下达的基本设置数据，控制实现温差循环、RS485通信、辅助电加热、管道防冻等功能。RS 485通信与主机相同，下面主要介绍测温和继电器控制部分。 2.2.1 测温电路 测温的关键是选择合适的感温元件和合理的测温电路参数。这里选用一种负温度系数的热敏电阻器(NTC)，它采用玻壳封装，体积小，响应快，价格低，安装方便。水温测量使用NTC测温电阻TG40B503(25时，阻值50 k，B值4 050 K，玻璃封装)，经AD转换后由程序查表，控制、选择合理的电路参数，在099范围内误差可小于1 ，具

9、有良好的一致性。NTC热敏电阻的温度特性一般可用下面的公式表示： RT=RT0exp(BT-BT0) (1) 式中：RT，RT0分别为热敏电阻器在温度T(单位：K)和T0(单位：K)时的阻值(单位：)。B为热敏电阻器的电阻温度系数(单位：K)。热敏电阻测温电路如图3所示：RT1RT4为本设计所使用的热敏电阻；PA0PA3为从机ATmega16单片机的AD接口。 2.2.2 继电器控制电路 系统输出功率控制有4路，分别有从机ATmega16单片机PB0PB3端口控制温差循环、电加热循环、防冻循环等功能。当主机按“温差循环”键时，主机将把信号发送给从机，从机再将RB0置高，启动手动循环，再次按“循

10、环”键，程序使RB0输出低电平口，关闭手动循环。其他功能与“温差循环”基本相同。为了防止继电器可能干扰单片机的控制电路部分，在单片机PB输出口与继电器驱动接口电路之间参加了光电耦合器TLP521_2，如图4所示。 3 系统软件设计 该设计的软件编程并不复杂，主要有以下几个模块：LCD显示、RS 485通信、AD软件滤波、行列键盘、继电器控制等。这里主要介绍对RS 485通信、AD数据的处理。 3.1 RS 485通信格式 在该设计中，虽然只是双机通信，但是为了以后扩展的需要，通信采用轮询方式。通信的发起端是主机，每次通信都是由主机发送指令开始，然后从机接收指令，根据接收到的指令，判断执行相应的

11、动作。指令共有3种，所以用2位二值代码。代码有：00为查询，01为设置参数，02为手动指令传输。 通信流程如下： (1)主机隔100 ms发查询帧，从机返回传感器数值数据帧； (2)设置参数、状态等：主机发设置参数帧，从机返回设置确认帧； (3)若在定时时间内没有收到从机返回数据，则重新发送，一直到从机正确返回。 3.2 AD数据的处理 测试中发现，若不对AD转换后的温度数据开展处理，直接用于温差循环控制，会使继电器不时出现误动作。即使在ATmega16芯片外的测温电路中参加了各种滤波电路，仍不见改善。因此推断该干扰可能来自于AD转换模块内部。考虑到该系统中现场温度的变化较缓慢，适合采用滑动窗口平均法开展数字滤波。在采用数字滤波方法对AD转换后得到的连续64个温度数据开展平均后，有效消除了AD转换后的噪声。 4 结 语 以ATmega16